DE3807211A1 - Stahlprofil und verfahren zum herstellen eines stahlprofiles - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Warmwalzen eines Stahlprofils mit an den Flanschenden einzuwalzenden Rücksprüngen sowie ein Stahlprofil gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 8.

Derartige Walzverfahren werden angewendet zur Erzeugung von Stahlprofilen mit Konturen, die möglichst eng dem endgültigen Verwendungszweck angepaßt sind zur Vermeidung umfangreicher spanender oder umformender Bearbeitung, sowie zur Verringerung der Kerbwirkung an den Rücksprüngen.

Es ist bekannt, Grubenausbauprofile mit H-förmigem Querschnitt für formschlüssige Verbindungen an den Flanschen mit während des Walzvorganges ausgebildeten Rücksprüngen zu versehen (DE-OS 33 07 230), die an den Flanschenden keine Materialaufstauchungen enthalten. Die Rücksprünge sind relativ klein im Verhältnis zur Flanschbreite; besondere Walzbedingungen sind nicht offenbart.

Tiefe und lange Rücksprünge konnten bisher spanlos nur durch nachträgliche Umformung des fertiggewalzten Profils erzeugt werden (DE-PS 9 76 549 und GB-PS 7 86 538).

In der DE-Altpatentanmeldung B 14 853 VIb/5c ist ein U-Profil offenbart, an das unterbrochene Rippen angewalzt sind, so daß sich halbkreisförmige Rücksprünge ergeben. Die gewalzten U-Profile sind zu Kastenträgern als Grubenprofile zusammengeschweißt, ähnlich wie es auch in GB-PS 7 86 583 dargestellt ist.

Nähere Angaben zum Walzverfahren oder der Bemessung der Profile sind nicht beschrieben.

Von daher ergibt sich als Aufgabe der Erfindung, ein Walzprofil sowie ein Stahlprofil-Walzverfahren vorzuschlagen, mit dem Rücksprünge in Flansche eingewalzt werden können, wobei sowohl die Flansche asymmetrisch als auch die Rücksprünge eine vom Kreisbogen abweichende Form und eine maximale Tiefe und Länge erreichen können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Ansprüchen 1 und 8 angegebenen Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen erfaßt.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß es beim Warmwalzen eines Profils, z. B. eines H-Profils, möglich ist, den Flanschknotenpunkt, also den Übergang vom Steg zum Flansch, "leerzuziehen", wenn die Flanschstreckung zu groß wird. In der Praxis bestätigt sich überraschend, daß es bei der Fertigung der vorliegenden Profile darauf ankommt, die gesamte momentan zu verdrängende Materialmenge der Rücksprünge in den Flanschknoten zurückzuwalzen und eine entsprechende Streckung des Profils zu erreichen. Zu berücksichtigen sind dabei die zwangsläufig vorhandenen Toleranzen im Kaliberschnitt der Walzen und die deshalb nicht exakte Ausbildung des Profils in den vorhergehenden Walzgerüsten. Daher muß eine mögliche Stauchung (Verdickung) des Flansches und/oder Steges in den folgenden Gerüsten durch überproportionales Strecken ausgeglichen werden. Andererseits können die Rücksprünge erst nach einer gewissen Vor-Umformung des Profils erzeugt werden, da sonst die Maßhaltigkeit der Rücksprünge nicht zu gewährleisten ist. Zufriedenstellende Ergebnisse werden erzielt bei Streckgraden von etwa 10-30%, gute bei 15-20%, nach Einwalzen der Rücksprünge.

Ein besonderes Problem stellt in diesem Zusammenhang das gleichzeitige oder gestaffelte Walzen von Rücksprüngen in zwei oder mehr Flansche dar, die einen gemeinsamen Flanschknoten haben, also bei Winkelprofilen die Winkelecke, bei T-Profilen der Kreuzpunkt Steg/Flansch; bei H-Profilen liegen, sofern in alle Flansche Rücksprünge zu walzen sind, entsprechend zwei Flanschknoten vor. Erfindungsgemäß muß daher die Gesamtmenge des zu verdrängenden Materialvolumens über den Flanschknoten "abfließen", sonst entstehen Quetschfalten. Näherungsweise läßt sich der Fließquerschnitt durch die Inkreisfläche des Flanschknotens bestimmen, die durch die Flansch-Außenfläche sowie die Radien an den Profilecken begrenzt wird.

Werden beide Rücksprünge parallel in gleich geringe Tiefe gewalzt, ergeben sich kaum Probleme.

Bei ungleich tiefen, parallelen Rücksprüngen ist die Bemessung des tiefsten Rücksprunges unter der Berücksichtigung des vorher geflossenen Materials des kleineren Rücksprunges zu bestimmen und entsprechend zu walzen.

Für das Einwalzen tiefer Rücksprünge in die Flanschenden von im Verwendungszustand höherfesten, nach dem Warmwalzen zu vergütenden oder zu normalisierenden Stahlprofilen, beispielsweise aus der Stahlgüte 31 Mn 4, hat die Praxis die besten Werte bei Walzendtemperaturen von 900 bis 1000 Grad Celsius gezeigt.

Grubenausbauprofile, die während der Erzeugung tiefer Rücksprünge in die Flanschenden, vorzugsweise thermo-mechanisch, gewalzt werden, sollen ihre Endumformung in einem Temperaturbereich erfahren, in dem der Austenit bei der Verformung nicht oder nicht wesentlich rekristallisiert. Die Walztemperatur liegt daher knapp oberhalb Ar₃ oder - beispielsweise für die Stahlgüte 17 MnV 7 - zwischen Ar₁ und Ar₃.

Bei zu geringen Temperaturen und großen Rücksprüngen besteht die Gefahr von Rißbildung am Flanschknoten in den nachgeordneten Walzschnitten.

Stahlprofile werden in modernen Walzwerken aus Stranggußbrammen reversierend vorgewalzt und dann in einem Universalwalzwerk beispielsweise mit neun Gerüsten, davon sechs Universal- und drei Stauchgerüste, kontinuierlich bis zur Fertigabmessung gewalzt. Als günstig für das Einwalzen von Rücksprüngen hat sich eine Anordnung entsprechender Kaliberwalzen im zweitletzten bis fünftletzten Gerüst erwiesen, da dort einerseits die Vorformung des Profils ausreichend ist, andererseits aber der Umformgrad noch hoch genug ist, um eventuell entstehende Aufstauchungen wieder maßhaltig zu walzen. Bei Gesamtstreckgraden Lambda, bezogen auf die Reststreckung der Profile bis zum Fertiggerüst, von Lambda = 1,1 bis 1,3 ergab sich eine gute Maßhaltigkeit der Stahlprofile.

Die zuvor geschilderte Maßnahme einer weiteren Stichabnahme nach dem Einwalzen der Rücksprünge ermöglicht es, längere Rücksprünge zu erzeugen als es dem Walzkaliber, d. h. der Länge des den Rücksprung erzeugenden Walzenabschnittes, entspricht. Je größer der abschließende Umformgrad ist, desto kleiner kann das Walzkaliber für den Rücksprung gewählt werden. Der abschließende Umformgrad darf, unter Berücksichtigung des bekannten Breitungsverhaltens des Profils während des Walzens, andererseits nicht zu hoch sein, wenn ein exakter Abstand zwischen den Rücksprüngen - die periodische Teilung - gefordert ist. Dieses gilt insbesondere für das Teilungsverhältnis unterschiedlich langer Rücksprünge auf einem oder mehreren Flanschen des Profils zueinander.

Durch Schwankungen beispielsweise in der Walzzugkraft, Kalibergeometrie, Materialfestigkeit und Walzguttemperatur verursachte Toleranzen verringern mit zunehmendem Umformgrad die Genauigkeit der Teilung.

Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und der besseren Bearbeitbarkeit werden für die Erzeugung der Rücksprünge zusammengesetzte Kaliberwalzen verwendet, die einen entsprechenden, austauschbaren Kaliberteil haben. Diese Walzenteile sind sehr starkem Verschleiß unterworfen und sollten daher aus beständigerem Werkstoff bestehen als die übrigen Walzenteile.

Bei der Festlegung der erzeugenden Kaliberlänge ist erfindungsgemäß die Erkenntnis zu berücksichtigen, daß nach Einwalzen der Rücksprünge die Streckung des Gesamtprofils nicht identisch ist mit der Streckung der Profilquerschnitte im Bereich der Rücksprünge. Profile mit Rücksprüngen bis nahe an den Flanschknoten zeigten während der Walzung eine zusätzlich plastische Dehnung des Profils von Epsilon = 1 bis 20%.

Dieser Effekt kann erfindungsgemäß gezielt eingestellt werden. Moderne kontinuierliche Profilwalzstraßen haben einen Regelkreis für die Einstellung einer bestimmten Zugkraft für das Walzgut zwischen den Gerüsten; Stellgröße ist unter anderem die Walzendrehzahl. Da die Massenträgheit der Walzen eine schlagartige Drehzahländerung verhindert, wird die Zugspannung proportional zur vorgegebenen Zugkraft und des im Bereich der Rücksprünge verminderten Profilquerschnittes größer, und das Profil wird plastisch gedehnt. Damit ist sowohl die zuvor erwähnte unerwünschte partielle Stauchung des Steges/Flansches teilweise korrigierbar, und es kann eine definierte, nur in dem Rücksprungbereich wirksame Profilstreckung erreicht werden.

Unter anderem aus Gründen der Materialersparnis werden die häufig als tragende Bauteile verwendeten H-Profile, I-Profile oder T-Profile konstruktiv so gestaltet, daß sich ein größtmögliches Widerstands-/Trägheitsmoment ergibt. Dadurch entstehen sehr dünne Stege und dicke Flansche. Aus walztechnischen Gründen sollte das erfindungsgemäß mit Rücksprüngen versehene Profil jedoch einen minimalen Querschnitt am Flanschknoten und Steg aufweisen. Erfindungsgemäß soll daher die Stegdicke, der Radius am Übergang Steg/Flansch und der Inkreis des Flanschknotens 5% der für das Widerstandsmoment maßgebenden Profilhöhe betragen.

Für eine Profilreihe von 80-160 mm Höhe wurden die theoretischen Überlegungen durch die Praxis dahingehend bestätigt, daß gute Ergebnisse mit Werten von 5-10% erreicht werden; es lassen sich Profile mit Rücksprüngen an den Flanschen bis in den Bereich Radius Steg/Flansch hineinwalzen.

Walztechnisch und konstruktiv optimierte Profilquerschnitte weisen dabei erfindungsgemäß ein bestimmtes Verhältnis der genannten Maße auf. Der Inkreisradius sollte 15%-40% größer als der Stegradius und dieser 12%-25% größer als die Stegdicke sein, wobei die unteren Grenzwerte mit der größten Profilhöhe erreicht werden.

Das erfindungsgemäß erzeugte Profil kann beispielsweise zu Kastenträgern zusammengeschweißt werden.

Bei Verschweißung von vier Winkelprofilen mit Rücksprüngen in beiden Schenkeln, die teilungsgerecht spiegelsymmetrisch an den Längskanten verschweißt werden, ergäbe sich ein rechteckiger Kastenträger mit Durchbrüchen auf allen vier Seiten, wobei die Durchbruchbreite den addierten Rücksprungtiefen benachbarter Schenkel entspräche. Auf ähnliche Weise können breite, gelochte Bauteile aus T-Trägern oder mit Flanschen versehene, gelochte Kastenträger aus H-Profilen geschweißt werden.

Anhand einiger Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 ein erfindungsgemäß gewalztes T-Profil in perspektivischer Sicht,

Fig. 2 einen Querschnitt A-A des T-Profils gemäß Fig. 1 im vergrößerten Maßstab,

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform erfindungsgemäß gewalzter Profile,

Fig. 4 einen erfindungsgemäß erzeugten Rücksprung.

Ein asymmetrisches T-Profil (Fig. 1) weist in Walzrichtung W am linken Flansch zwei langgestreckte kleine Rücksprünge R _k1, R _k2 auf. Gegenüberliegend von R _k2 ist im rechten Flansch ein mit zunehmender Walzlänge tiefer werdender großer Rücksprung R _g angeordnet, der bis in die Nähe des Steges S reicht.

Die tatsächlichen Größenverhältnisse des Profilquerschnittes ergeben sich aus Fig. 2, die einen Schnitt entlang Linie A-A durch das T-Profil gemäß Fig. 1 darstellt.

Die Tabelle zeigt die absoluten Werte der Profilabmessung gemäß Fig. 2.

Tabelle

Der Radius r _i des Inkreises zwischen den Stegradien r _s und der Flansch-Außenfläche F _a ist so bemessen, daß die Inkreisfläche F _i größer als die Summe der Querschnittsflächen F _Rk2 und F _Rg der eingewalzten Rücksprünge R _k2 und R _g ist, d. h.

ΣF _R F _i

Unter Vernachlässigung der Kantenradien an den Flanschenden ergeben sich für das Profil in Fig. 2 folgende Werte:

Daraus folgt:

ΣF _R /F _i = 0,97

Die Material-Fließbedingung ist eingehalten worden für die Stelle der tiefsten eingewalzten Rücksprünge. Die praktische Walzung mit entsprechend ausgebildeten Kaliberwalzen erbrachte ein einwandfrei maßgetreu gewalztes Profil.

Sollten die Rücksprünge an beiden Flanschen eine schwankende, eventuell sogar gegenläufige Tiefenänderung aufweisen, ist die größte, von der Kaliberwalze gerade zu walzende, gesamte Querschnittsverringerung zu berücksichtigen.

Fig. 3 zeigt ein aus den T-Profilen 1, 2, 3 zusammengesetztes, an den Flanschen 7 verschweißtes Bauteil in Draufsicht. Die Profile 1, 2, 3 weisen kleine Rücksprünge 4 und große Rücksprünge 5 auf, die in periodischen Abständen, den Teilungen T _k bzw. T _g , in die Profilflansche 7 eingewalzt wurden. Nach Zerteilen des endlosen Walzprofils in die Profile 1, 2, 3 wurden diese teilungsgerecht so zusammengefügt, daß aus je zwei Rücksprüngen 4 ein Durchbruch 8 bzw. aus den Rücksprüngen 5 ein Durchbruch 6 entstand.

Diese Durchbrüche 6, 8 dienen der formschlüssigen Befestigung anderer nicht dargestellter Bauteile, beispielsweise für eine Betondecken- Schalung.

Fig. 4 zeigt schematisch die Verhältnisse zwischen fertigem Profil 14 mit asymmetrischen Flanschen 10, 13 und Steg S mit Rücksprung 12 sowie der Kaliberwalze 9 mit der den Rücksprung 12 erzeugenden Kaliberkontur 11.

Während des Walzvorganges dreht sich die Kaliberwalze 9 in Walzrichtung W. Dabei schneidet die unter Berücksichtigung der örtlich wirksamen Materialvor- und -nacheilung ausgebildete Kaliberkontur 11 am Radius r _v in das Profil 14 ein, rollt auf der Länge LK (Bogen aus zusammengesetzten Radien) ab und beendet den Umformvorgang am Radius r _h .

Beim Vergleich gleichlanger Profilstücke LX (mit Ausgangslänge LO vor dem Walzen) und der Rücksprunglänge LR am fertigen Profil 14 fällt auf, daß LO größer als die erzeugende Länge LK (im Bogenmaß) der Kaliberkontur 11 ist. Das Profil erfährt nach Einwalzen des Rücksprunges 12 in diesem Bereich eine überproportionale Streckung Epsilon, die je nach gewähltem abschließenden Streckgrad Lambda, etwa Epsilon = 1 bis 20%, vorzugsweise 2 bis 5%, beträgt. Das bedeutet, daß erfindungsgemäß die erzeugende Kaliberkontur 11 um den Faktor Lambda k kürzer zu gestalten ist als der Rücksprung 12. Als mathematische Beziehung kann das Verhältnis der Profilabschnitte auch so ausgedrückt werden:

Diese erfindungsgemäße Erkenntnis läßt sich auf alle langgestreckten Rücksprungformen von Profilen übertragen.

Claims (11)

1. Verfahren zum Warmwalzen eines Stahlprofils mit an den Flanschenden periodisch einzuwalzenden Rücksprüngen, dadurch gekennzeichbnet, daß nach dem Vorwalzen während des kontinuierlichen Walzens des Profils (1, 2, 3, 14) die Rücksprünge (4, 5, 12, R) bis in die Nähe des Flanschknotens eingewalzt werden, wobei die Rücksprungtiefe derart gewalzt wird, daß bei vollständiger Kaliberfüllung die momentan erzeugten Profilquerschnitte die Bedingung erfüllen mit
F _R Rücksprungquerschnitt,
t nominelle Flanschdicke am Flanschende,
b Rücksprungtiefe vom Flanschende,
α Neigungswinkel zwischen den Flanschflächen,
F Inkreisquerschnitt am Flanschknoten zwischen Stegradius und Flanschaußenfläche
und nach dem Einwalzen des Rücksprunges (4, 5, 12, R) der gesamte Profilquerschnitt um mindestens 10%, vorzugsweise 15-20%, reduziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei zwei oder mehr Flanschen (7, 10, 13) an einem Flanschknoten der momentan erzeugte Profilquerschnitt nach der Bedingung Σ F _R F _i gewalzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Rücksprüngen (4, 5, R _g , R _k ) ungleicher momentaner Walztiefe an zwei oder mehr Flanschen (7) eines Flanschknotens die maximale Walztiefe des tiefsten Rücksprunges (5, R _g ) bestimmt und gewalzt wird, nachdem zunächst die Walztiefe der geringsten Rücksprünge (4, R _k ) definiert und/oder gewalzt wurde.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Walzendtemperatur für nach dem Walzen zu vergütende oder normalisierend zu glühende Stähle 900- 1000 Grad Celsius und für nur thermo-mechanisch gewalzte Stähle unter 900 Grad Celsius, vorzugsweise zwischen Ar₁ und knapp oberhalb Ar₃, beträgt.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rücksprünge (4, 5, 12, R) in einer kontinuierlichen Walzstraße mit N Universalgerüsten in einem oder mehreren Gerüsten der Gruppe N minus 1 bis N minus 4 gewalzt und nach dem Einwalzen der Rücksprünge (4, 5, 12, R) ein Gesamtstreckgrad Lambda von 1,05-1,4; vorzugsweise Lambda = 1,1-1,3 beträgt.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rücksprünge (12) mit zusammengesetzten Kaliberwalzen (9) erzeugt werden, die asymmetrische Kaliberteile (11) aufweisen, dessen erzeugende Kaliberlänge (LK) kürzer als die Länge (LR) der Rücksprünge (12) am fertigen Profil (14) ist.

7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verlängerung des eingewalzten Rücksprunges durch eine Zugkraft auf das Walzprofil (1, 2, 3, 14) zwischen benachbarten Walzgerüsten eingestellt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaliberlänge (LK) aus der vorgegebenen Länge (LR) des Rücksprunges (12) am fertigen Profil (14) und dem Streckgrad des Profils nach Einwalzen des Rücksprunges (12) bestimmt wird nach der Beziehung mit
λ = Gesamtstreckgrad des Profils,
λ _K = Gesamtstreckgrad im Bereich der Rücksprünge,
ε = überlagerte Streckung im Bereich der Rücksprünge.

9. H-, I- oder T-Profil mit an den Flanschenden periodisch eingewalzten Rücksprüngen, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius des Inkreises am Flanschknoten (r _i ), der Radius Steg/Flansch (r _s ) und die Stegdicke (s) 5%, vorzugsweise 5 bis 10% der Höhe (h) des Profils beträgt und der Querschnitt des Flanschknotens (F _i ) größer als der Rücksprungquerschnitt (F _R ) ist.

10. Profil nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch ein steigendes Verhältnis der Maße von Stegdicke (s) zu Radius Steg/Flansch (r _s ) zu Inkreisradius (r _i ) mit abnehmender Profilhöhe (h).

11. Verwendung eines warmgewalzten Stahlprofils mit an den Flanschenden periodisch eingewalzten Rücksprüngen (4, 5), wobei mindestens ein Teil der Rücksprünge (5) bis in die Nähe des Flanschknotens eingewalzt wird als Teilprofil (1, 2, 3) für ein geschweißtes Profil mit Durchbrüchen (6, 8), durch spiegelsymmetrisches Anordnen der Teilprofile (1, 2, 3), so daß jeweils zwei Rücksprünge (5 bzw. 4) einen Durchbruch (6 bzw. 8) bilden.